Monazitisk geokronologi

Illustration som visar ålderskarta och zoneringsmönster för ett monazitkorn. Ljusare färg representerar äldre ålder. Redigerad efter Williams, 1999.

Monazit geokronologi är en dateringsteknik för att studera geologisk historia med hjälp av mineralet monazit . Det är ett kraftfullt verktyg för att studera den komplexa historien om metamorfa bergarter, särskilt, såväl som magmatiska , sedimentära och hydrotermiska bergarter. Dateringen använder de radioaktiva processerna i monazit som en klocka.

Det unika med monazit geokronologi kommer från den höga termiska motståndskraften hos monazit, vilket gör att åldersinformation kan behållas under den geologiska historien. När monazit växer, bildar den successiva generationer av olika sammansättningar och åldrar, vanligtvis utan att radera de tidigare, vilket bildar zoneringsmönster i monazit. På grund av ålderszoneringen bör datering göras på enskilda zoner, snarare än hela kristallen. Dessutom kan texturer av monazitkristaller representera vissa typer av händelser. Därför krävs direkta provtagningstekniker med hög rumslig upplösning, för att studera dessa små zoner individuellt, utan att skada texturerna och zoneringarna.

Fördelen med monazit geokronologi är förmågan att relatera monazitkompositioner med geologiska processer. Att hitta åldrarna för sammansättningszoner kan innebära att hitta åldrarna för geologiska processer.

Förfall av U och Th till Pb

Ytterligare information: Radiometrisk datering § Grunderna i radiometrisk datering

Monazit är ett sällsynt jordartsmetallfosfatmineral med den kemiska formeln t.ex. (Ce, La, Nd, Th, Y) PO ₄ . Det förekommer i en liten mängd som ett tillbehörsmineral i många magmatiska, metamorfa och sedimentära bergarter. Monazitmineraler innehåller betydande mängder radioaktiva grundämnen Th och U , som utlöser radioaktiva processer. Dessa två grundämnen är det som gör detta mineral lämpligt för radiometrisk datering .

I de radioaktiva processerna sönderfaller de tre instabila moderisotoperna till sina respektive stabila dotterisotoper av Pb. Var och en efter en sönderfallskedja bestående av alfa- och beta-sönderfall , moderisotoperna ²³⁸ U, ²³⁵ U och ²³² Th, sönderfaller till en serie mellanliggande dotterisotoper och leder slutligen till stabila isotoper, ²⁰⁶ Pb, ²⁰⁷ Pb respektive ²⁰⁸ Pb. Varje sönderfallskedja har en unik halveringstid , vilket innebär att dotterisotoperna genereras i olika hastigheter.

Nedbrytningsprocesserna kan förenklas som följande ekvationer, som utelämnar alla mellanliggande dotterisotoper.

$^{238}U\right ^arrow {206}Pb+8\alpha +6\beta ^{-}+Energy\quad \lambda _{238}=1,55125{e}^{-10}yr^{-1}\quad t_{1/2} =9842år$

$^{235}U\right {207}Pb+7\alpha +4\beta ^{-}+Energy\quad \lambda _{235}=9.8485{e}^{-10}yr^{-1}\quad t_{1/2} =1550 år$

$^{232}Th\right ^{208}Pb+6\alpha +4\beta ^{-}+Energy\quad \lambda _{232}=4.9475{e}^{-10}yr^{-1}\quad t_{1/2 }=3086år$

där α representerar alfapartikel , β ⁻ representerar beta partikel , λ representerar sönderfallskonstant och t _½ representerar halveringstid .

Monazit geokronologi studerar förhållandet mellan moderisotoper och dotterisotoper (isotopkvot) och beräknar hur lång tid som har gått sedan dotterisotoper började ackumuleras.

Radiometrisk ålder och geologisk ålder

Radiometrisk ålder representerar den tidpunkt då sönderfallsprocessen startar. Geologisk ålder representerar den tid då en geologisk händelse inträffar. Att manipulera isotopförhållandena kan bara ge oss radiometrisk ålder. För att få fram den geologiska åldern måste vi känna till förhållandet mellan de två. Med andra ord, hur påverkar geologiska händelser det radioaktiva systemet i monazit? Egentligen är det radioaktiva systemet som en digital "klocka", medan de geologiska processerna kan vara som att byta ut ett batteri. När ett nytt batteri sätts i börjar denna "klocka" att räknas från 00:00. Denna process är vad vi kallar åldersåterställningsmekanismen. Hos monazit orsakas åldersåterställningen av förlusten av Pb. Pb produceras kontinuerligt av sönderfallen av U och Th sedan det radioaktiva systemet (klockan) börjar gå. Ju mer Pb (eller mindre U och Th) systemet innehåller betyder att den längre perioden har passerats. Om alla Pb plötsligt tas bort från monazit av en geologisk händelse (byte av batteri), blir åldern noll (00:00) igen. Innan man tänker på vilka exakta geologiska händelser som utlöser Pb-förlust (se avsnitt: Tolkning och tillämpning), är det viktigt att känna till de två mekanismerna som orsakar Pb-förlust i monazit.

Mekanismer för Pb-förlust

Diffusion i fast tillstånd

Stängningstemperatur för U-Pb-datering

Mineral	T c för U-Pb-datering (°C)
Titanit	600–650
Rutil	400–450
Apatit	450–500
Zirkon	>1000
Monazit	>1000

Fasttillståndsdiffusion är nettorörelsen av atomer i fast fas , från ett område med högre koncentration till ett område med lägre koncentration . Det är lätt att föreställa sig diffusion i flytande fas som bläck som sprids i vatten. Fasttillståndsdiffusion av Pb är nettoutbytet av Pb i det fasta mineralet med den yttre miljön, som vanligtvis är en vätska. I de flesta fall transporteras Pb från mineralet till vätskan, vilket resulterar i Pb-förlust och därmed åldersåterställning.

Diffusionshastigheten ökar med temperaturen när atomerna rör sig snabbare. Men när mineralet svalnar och kristallstrukturen blir mer komplett, saktar diffusionerna av föräldra- och dotterisotoper ner och blir slutligen obetydliga vid en viss temperatur. Denna förslutningstemperatur (Tc ) beror på kristallstorlek, form, kylningshastighet och diffusionskoefficient, som i sin tur varierar för varje mineral och radioaktiva system _. Det vill säga, över T _c förloras Pb kontinuerligt och den radioaktiva klockan håller noll. När temperaturen faller under T _c stängs systemet och klockan börjar räkna.

Monazit kännetecknas av sin höga Pb-retentionsförmåga även vid höga temperaturer under en längre period. Stängningstemperaturen för monazit i U-Th-Pb-systemet är högre än 800 °C, mycket högre än de andra vanliga mineralerna.

Vätskeassisterad upplösning-fällning

Successiv tillväxt av monazitkorn genom vätskeassisterad upplösning-utfällning. (1) Monazit (orange) löser sig längs reaktionsfronten kontakten med vätskan (gul) (2) Monazit återutfälls som en förändrad monazit med en ny kemisk sammansättning (rosa) (3) Reaktionen fortsätter med vätska som transporteras till reaktionsfronten av infiltrationsvägar. (A) Reaktionen upphörde på grund av omkristallisation av utfällningsfasen (mörkorange). (B) Reaktionen upphörde på grund av förändring i reaktionssystem (blått).

Till skillnad från diffusion i fast tillstånd sker vätskeassisterad upplösning-utfällning under _Tc . Interaktion mellan mineralfasen och en samexisterande flytande fas under geologiska händelser bidrar direkt till denna process. Det är en kemisk reaktion som drivs av systemstabilisering från att minimera Gibbs fria energi . En reaktiv vätska är närvarande som en katalysator och en källa för reaktanter för reaktionen.

Om en geologisk process skapar en lämplig vätska och temperatur, löses monazit längs kontakten med vätskan (reaktionsfronten), och återutfälls som en förändrad monazit med en ny kemisk sammansättning. Hastigheterna för upplösning och återutfällning är desamma, så att den ursprungliga mineralfasen alltid är i kontakt med utfällningsfasen, separerad av endast ett tunt skikt av vätska som reaktionsmedium. När reaktionen väl är aktiverad är den självgående. Reaktionsfronten migrerar mot centrum av modermonaziten och lämnar den nybildade monaziten bakom sig och bildar en kärn-kantstruktur.

Sammansättningen av utfällningsfasen beror på vätskesammansättningen och temperaturen. Under de flesta av reaktionerna avlägsnas Pb effektivt och utfällningsfasen är Pb-fri. Därför återställs åldern på den nybildade fälgen, vilket representerar tiden för denna växling.

Det finns i grunden två faktorer som kan få reaktionen att upphöra. (A) Reaktionen upphör på grund av omkristallisationen av utfällningsfasen, vilket tar bort alla vätskeinfiltrationsvägar. Detta resulterar i vätskeinneslutningar i monazit. (B) Reaktionen upphör på grund av en förändring i systemet såsom sammansättningen av vätska och monazit, vilket gör att denna reaktion inte längre är reaktiv.

Implikationer för monazit geokronologi

Omfattning av geologiska processer vid olika temperaturer registrerade av monazit, zirkon och apatit i U-Pb-datering

Eftersom diffusionen av reaktanter mellan upplösningsfasen och utfällningsfasen är långsam, är vätskan väsentlig för att tillhandahålla enkel transport för reaktanterna. Men när reaktionen fortskrider separeras upplösningsfasen och vätskan av den fasta utfällningsfasen, vilket blockerar transporten av reaktanter. Därför måste det finnas en viss sammankopplad porositet i utfällningsfasen, vilket gör att vätskan kan infiltrera och driva reaktionsfronten.

De flesta andra geokronometrar har vanligtvis en mycket lägre stängningstemperatur. När de väl utsätts för en temperatur som är högre än Tc _kommer all åldersinformation att återställas, vilket förlorar information från tidigare geologiska händelser. Däremot, eftersom monazit har en hög T _c , även om den kan uppleva yngre höggradig metamorfos med höga temperaturer, är det troligt att den tidigare geologiska historien kommer att bevaras. Dessutom utlöses upplösning-nederbörd vanligtvis av geologiska händelser såsom metamorfism , deformation och hydrotermisk växling under _Tc . Var och en av dessa händelser skriver new age-information genom att fälla ut en ny domän utan att radera den äldre informationen. Därför är det troligt att monazit bevarar en komplett historia av generationer.

Monazit och zirkon är två mineraler som vanligtvis används i geokronologi för att studera geologisk historia. De uppvisar båda höga stängningstemperaturer vilket gör dem lämpliga för att registrera magmatiska och metamorfa händelser. De beter sig dock olika genom sin geologiska historia. Generellt sett presterar monazit bättre när det gäller att registrera metamorfism (omkristallisationsåldrar) med olika zoneringsmönster i åldrar och sammansättning. Zirkon är inte lika reaktivt som monazit under metamorfa reaktioner och är bättre för att registrera magmatiska händelser (kylningsålder). Dessutom är monazit lämplig för att datera relativt låg temperatur metamorfos till exempel amfibolit-facies än zirkon.

Monazitzonering

Zonering är en egenskap hos monazit. Ett enda monazitkorn kan innehålla domäner med distinkt olika sammansättningar och åldrar. Dessa domäner är allmänt accepterade för att representera episoder i geologisk historia med monazittillväxt eller omkristallisation. Nyckeln till monazit geokronologi är att ta reda på vilka geologiska händelser eller miljöer en domän representerar, genom att jämföra dess kemiska sammansättning med mineralstabilitet och reaktioner. Händelsens ålder representeras alltså av domänåldern.

Den ideala formeln för monazit är [LREE(PO ₄ )], variationen i sammansättning beror främst på de kemiska ersättningarna av lätta sällsynta jordartsmetaller (REE) i monazit med andra grundämnen. En av de vanliga substitutionerna är utbytet mellan LREE med Th och Ca, och P med Si för att bilda huttonit [ Th ( Si O ₄ )] och brabantit [ CaTh (PO ₄ ) ₂ ]. Eftersom alla tre mineraler delar samma kemiska struktur, är de de tre ändelementen i sin fasta lösning , vilket betyder att de uppträder i samma fasta fas där substitutioner sker. Det är viktigt att notera att de sammansatta zoneringsmönstren kanske inte är desamma när vi överväger olika element, och ålderszonering kanske inte har något samband med sammansättningszonering alls. (se bilder från avsnittet: analysprocedurer) Därför måste man vara mycket försiktig med att länka mellan zoneringar. I naturlig monazit kan zoneringsmönstret vara komplext och svårt att tolka. Nedan beskriver vi några enkla kemiska zoneringsmönster och tillhörande tolkningar. Zoneringsmönster förknippade med magmatisk aktivitet är vanligtvis lätta att tolka. Men de som är förknippade med metamorfism är mer komplicerade.

Koncentrisk zonindelning

Koncentrisk zonindelning: monazit växer med nya på varandra följande lager med olika sammansättningar

Sektorzonindelning: olika element kristalliserade företrädesvis vid olika ytor av kristallen

Kärnkantszonering: ändrad kant som bildas kring den ursprungliga kärnan under en upplösning-utfällningsreaktion

Zonindelningsmönster av monazit. Färgens intensitet representerar koncentrationen av ett visst element. Redigerad efter Williams, 2007

Ett sätt för monazitbildning är kristallisation från en magmatisk smälta . Det koncentriska zonindelningsmönstret återspeglar smältans förändrade sammansättning som påverkar sammansättningen av den kristalliserande monaziten.

Sektors zonindelning

Sektorzonindelning är också förknippad med kristalliseringen av monazit i en smälta. Vissa element kan dock ha en tendens att kristallisera på en specifik kristallyta . Detta resulterar i ojämn tillväxt och sammansättning.

Kärnfälg zonindelning

Kärnkantszonering är vanligtvis associerad med vätskeassisterad upplösning-utfällning i metamorfa reaktioner, som bildar på varandra följande fälgar med en ny sammansättning. Vätskesammansättningen och metamorfa kvalitet (H/T) är viktiga faktorer i fälgsammansättningen.

Andra zonindelningsmönster

Fläckiga och fläckiga zonindelningsmönster är mer komplexa zoneringar. Tolkningarna är vanligtvis inte enkla.

Dejting närmar sig

Isotopdatering och kemisk datering är de två typiska metoderna som används i monazit geokronologi. Båda metoderna använder sig av den radioaktiva naturen hos Th och U i monazit.

Isotop dating

Ytterligare information: Uran-bly-datering

Isotopdatering kräver mätning av isotopkoncentrationen av radioaktivt U och Th och radiogent Pb i monazit. Genom att behandla varje sönderfallskedja i U-Th-Pb-systemet oberoende, kan tre klassiska isokronekvationer erhållas:

$\left({\frac {^{206}Pb}{ ^{204}Pb}}\right)=\left({\frac {^{206}Pb}{^{204}Pb}}\right)_{0}+\left({\frac {^{238 }U}{^{204}Pb}}\right){\bigl (}e^{\lambda _{238}t}-1{\bigr )}$

$\left({\frac {^{207}Pb}{ ^{204}Pb}}\right)=\left({\frac {^{207}Pb}{^{204}Pb}}\right)_{0}+\left({\frac {^{235 }U}{^{204}Pb}}\right){\bigl (}e^{\lambda _{235}t}-1{\bigr )}$

$\left({\frac {^{208}Pb} {^{204}Pb}}\right)=\left({\frac {^{208}Pb}{^{204}Pb}}\right)_{0}+\left({\frac {^{ 232}Th}{^{204}Pb}}\right){\bigl (}e^{\lambda _{232}t}-1{\bigr )}$

där ${\bigl (}\quad {\bigr )}_{0}$ representerar det initiala isotopförhållandet när systemet återställs, t representerar tiden efter systemåterställningen och λ ²³⁸ , λ ²³⁵ och λ ²³² är avklingningskonstanterna för ²³⁸ U, ²³⁵ U respektive ^{232 Th.}

Kombinationer av användningen av ovanstående ekvationer, såsom U-Th-Pb-datering, U-Pb-datering och Pb-Pb-datering, kräver olika nivåer av analystekniker och erbjuder varierande nivåer av precision och noggrannhet. Den allmänna osäkerheten i de uppmätta åldrarna är 2σ (t.ex.).

Kemisk datering/ Total Pb-datering

Kemisk datering kräver mätning av elementära överflöd av U, Th och Pb men inte isotoper. U-Th-total Pb-datering, även känd som elektronmikrosond U–Th–Pb-datering, mäter grundämnesförekomsten av de tre elementen med en elektronmikrosond och beräknar åldern (t) med nedanstående ekvation.

$$Pb={\frac {Th}{232}}[\exp(\lambda ^{232}t)-1]208+{\frac {U}{238.04}}0,9928\gånger [\exp (\lambda ^{238}t)-1]206+{\frac {U}{235}}0,0072\ gånger [\exp(\lambda ^{235}t)-1]207$$

där Pb, Th och U är koncentrationer i delar per miljon, och λ ²³² , λ ²³⁵ och λ ²³⁸ är sönderfallskonstanterna för ²³² Th, ²³⁵ U respektive ²³⁸ U.

För att kemiska dateringsresultat ska vara giltiga krävs följande antaganden:

1. Icke-radiogent Pb är försumbart jämfört med radiogent Pb.
2. Ingen modifiering av U/Th/Pb har skett förutom radioaktivitet.

Det första antagandet tenderar att vara sant eftersom monazit är mycket osannolikt att införliva Pb under dess tillväxt. Den icke-radiogena Pb-halten i många laboratorietester visade sig vara mycket låg, nästan alltid mindre än 1 ppm. Det vanligaste felet som härrör från detta antagande är kontaminering med bly under provberedningen. Det andra antagandet motiveras vanligtvis av det överensstämmande beteendet hos mineralet som observerats i tester. Det betyder att systemet antingen återställs helt eller opåverkat helt av geologiska processer, det finns ingen partiell återställning av systemet. Mindre fel kan uppstå på grund av försumbar störning under massöverföring.

Teorin är att monazit har höga halter av Th (vanligtvis 3–15 % och upp till 25 % av sin vikt) och U (vanligtvis hundratals ppm och upp till 5 % i koncentration). Således ackumuleras Pb i hög hastighet genom radioaktiva processer. På mindre än hundratals år når den en nivå som är tillräckligt hög för att kunna mätas exakt av en elektronmikrosond.

Analystekniker

Ålder och kompositionszonering samt monazits struktur ger bevis på den successiva tillväxten av kristallen under diskreta geologiska händelser. Omfattningen av information som kan erhållas beror till stor del på de analystekniker som används inom geokronologi.

Jämförelse mellan konventionell och in situ analys

Konventionell analys

Konventionellt separeras monazit från prover genom upplösning och kemiska metoder. Enstaka eller fraktioner av kristaller väljs ut för datering, vanligtvis genom termisk joniseringsmasspektrometri ( TIMS). Det betyder att en ålder genereras för en enda monazitkristall eller för en grupp kristaller. Den erhållna åldersinformationen är uppenbarligen inkonsekvent och inexakt, eftersom även en enda monazitkristall innehåller zoner av olika åldrar. Dessutom förstör mekanisk separation för monazit ofta den associerade texturella och rumsliga informationen i monazitkristallerna, vilket är avgörande för att tolka relationer mellan domäner och geologiska miljöer.

In situ analys

	Konventionell analys	In situ analys
Provtagning	Fysikalisk/kemisk separation	Direkt provtagning
Dejtingmål	Enstaka/ fraktioner av spannmål	Åldersdomäner
Daterad ålder	Inkonsekvent	Konsekvent
Konsistensen bevarad?	Nej	Ja

Av ovanstående skäl ökar efterfrågan på in-situ analys. In-situ innebär att man analyserar monazitkorn i sina ursprungliga värdbergarter utan separation (se in situ ) så att texturen och zoneringsmönstret hålls intakta för att avslöja en mer omfattande geologisk historia av värdbergarten. Direkt provtagningsteknik, hög rumslig upplösning och precision krävs för in-situ analys. Med tekniska framsteg kan fler och fler mätverktyg såsom laserablation induktivt kopplad plasmamasspektrometri (LA-ICPMS) och lasermikrosondmasspektrometer (LMMS) utföra sådan analys.

Analysprocedurer

Nedan visas en allmän procedur för monazitdejting. Egenskaperna och procedurerna är olika för varje mätverktyg, särskilt provberedning och dateringsmetoder. Detaljer om några vanliga mätverktyg beskrivs i avsnittet: Mätverktyg.

1. Provberedning
2. Monazitidentifiering och kartläggning
3. Monazite sammansättningskartläggning
4. Monazite ålderskartläggning
5. Kvantitativ dejting

Provberedning: Tunna sektioner av kalksten

Monazitidentifiering: Illustration som visar en tillbakaspridd elektronbild av ett stenprov med monazit (i mitten med vit färg). Redigerad efter Williams, 1999.

Sammansättningskartläggning: Illustration som visar röntgenöversikt över ett monazitkorn. Ljusare färg representerar högre koncentration. Redigerad efter Williams, 1999.

Kvantitativ datering: Histogram över åldrar uppmätt, som visar två ålderszoneringar i monazit. Redigerad efter Williams, 1999.

Illustration av en ålderskarta över ett monazitkorn. Ljusare färg motsvarar äldre ålder. Redigerad efter Williams, 1999.

Provberedning

Vid både konventionell och in-situ datering förbereds en tunn del av berget av intresse. Först skärs ett tunt lager av sten av en diamantsåg och slipas för att bli optiskt platt. Sedan monteras den på ett objektglas gjord av glas eller harts och slipas slät med slipkorn. Det slutliga provet är vanligtvis bara 30 μm tjockt.

Monazitidentifiering och kartläggning

Monazitkorn identifieras genom en bakåtspridd elektronavbildningsundersökning eller/och elektronmikrosondanalys (EMPA) genom att kartlägga koncentrationen av distinkt Ce i monazit. De två bilderna är vanligtvis överlagrade för att reflektera provtextur och monazitplatser samtidigt.

Monazite sammansättningskartläggning

Monazitkorn som visar användbara samband med mikrotexturer eller värdmineraler väljs för sammansättningskartläggning. Stora elementära och ibland spårelementkartor skapas vid hög förstoring genom elektronmikrosondröntgenkartläggning för att visa sammansättningszoneringsmönster. Kartor över elementär Y, Th, Pb, U har visat sig användbara för att identifiera sammansättningsdomäner i monazit.

Monazite ålderskartläggning

Uppskattade åldrar beräknas över sammansättningskartan genom att analysera koncentrationen av Th, Pb och U med total-Pb-dateringsmetoden. Resultatet används sedan för att generera en ålderskarta som ungefär identifierar alla åldersdomäner.

Kvantitativ dejting

Ett antal fläckar inom en åldersdomän väljs ut och dateras ytterligare noggrant med mätverktygen genom isotopisk dateringsmetod. Resultaten analyseras sedan statistiskt för att ge en exakt ålder för varje åldersdomän.

Mättekniker

Valet av olika konventionella eller in-situ analystekniker påverkar upplösningen, precisionen, detektionsgränserna och kostnaden för monazit geokronologi. De senaste analytiska framstegen inom U-Th-Pb-systemet i naturlig monazit har huvudsakligen uppnåtts genom (1) isotopspädning termisk joniseringsmasspektrometri (ID-TIMS), (2) sekundär jonmasspektrometri (SIMS), (3) laserablation Induktivt kopplad plasmamasspektrometri (LA-ICP-MS) och (4) elektroniska mikrosondsanalyser (EMPA).

Konventionell analys

Isotopspädning termisk jonisering masspektrometri

Ytterligare information: Termisk joniseringsmasspektrometri

På 1950-talet utvecklade Alfred Nier tekniken ID-TIMS, som senare blev det första verktyget som används i monazit geokronologi. Eftersom denna metod innefattar kemisk separation av monazit (isotopspädning) betraktas den som en konventionell analysteknik. I allmänhet tar det flera timmar för en U-Pb-mätning. Datumprecisionen är nästan 0,1 %, förutsatt att åldrarna är överensstämmande (dvs inte datum som återspeglar blandning av zoner). Det anses vara den mest exakta metoden i monazit geokronologi.

Monazitmineralkorn är noggrant handplockade för dejting. De spetsas med en spårlösning och löses i HF eller HCl. Med hjälp av jonbyteskemi separeras U, Th och Pb från andra grundämnen. Syftet med separationen är (1) potentiell isobarisk interferens bör avlägsnas före analys på grund av den höga känsligheten och lågmassupplösningen hos TIMS; (2) jonisering av elementen av intresse kan hindras av andra element, vilket resulterar i minskad signalstorlek och precision.

De separerade U-, Th- och Pb-proverna läggs försiktigt på ett metalltråd, som vanligtvis är tillverkat av Re . Elementen värms upp och joniseras till sina respektive joner, som accelereras under ett starkt magnetfält och mäts av en detektor.

Spårmedelslösningen är en lösning med en känd mängd U- och Pb-spårisotoper. På grund av elementär fraktionering kan båda elementen inte mätas samtidigt med TIMS. Spårmedelslösningen används därför för att mäta förhållandet mellan provisotop och spårisotoper. Kvoten omvandlas till mol av provisotoper för datering.

In situ analys

Följande mättekniker gäller för in-situ-analys, vilket innebär direkt provtagning av monazitkorn med hjälp av en infallande jonstråle eller en laser.

Sekundär jonmasspektrometri (SIMS)

Ytterligare information: Sekundär jonmasspektrometri

Gamla magnetsektor SIMS från tillverkaren CAMECA

SIMS är en masspektrometrimetod för att mäta småskaliga elementära och isotopiska variationer av prover. Dess förmåga att mäta i fläckar med en smal diameter (10–40 μm) gör det till ett användbart verktyg för att datera små (<100 μm) mineralkorn och enskilda domäner inom en enda kristall. SIMS kan uppnå en precision på ~3%. Sensitiv högupplöst jonmikrosond (SHRIMP) anses allmänt vara ett kraftfullt verktyg bland SIMS.

SIMS analyserar mineralytans (några μm) sammansättning genom att sputtera ytan med en fokuserad primär jonstråle under vakuum. De sekundära joner som frigörs från mineralet accelereras, mäts och analyseras i masspektrometern. Prov analyseras i rotation med en standard av kända elementära eller isotopförhållanden för att bestämma förhållandena i provet för datering.

Laserablation induktivt kopplad plasmamasspektrometri (LA-ICPMS)

Ytterligare information: Induktivt kopplad plasmamasspektrometri

Tillämpningen av LA-ICPMS i U-Pb geokronologi började på 1990-talet. Eftersom det möjliggör relativt kort och billig men ändå hög rumslig upplösning, har det blivit den mest använda metoden för monazit geokronologi. Precisionen för LA-ICPMS begränsas av standardvariabilitet, som är cirka 2 % av en given ålder.

Mineralprovets yta sputteras av en laser inuti en provcell. De ablerade partiklarna samlas upp och införlivas i en bärargas. De resulterande aerosolerna analyseras med en masspektrometer för datering. En fast tillstånds- eller gaskällalaser med kort våglängd används vanligtvis som laserablationssystem inom geokronologi.

Elektroniska mikrosondsanalyser (EMPA)

Ytterligare information: Elektronmikrosond

EMPA används i monazit geokronologi, särskilt för in-situ kemisk datering (total-Pb datering). Det höga innehållet av U, Th och Pb i monazit överensstämmer med kravet som härrör från den relativt högre lägre detektionsgränsen. Därför är EMPA en högupplöst (ungefär 1 μm), snabb och billig metod för kemisk datering för att lösa tillväxthistorier för monazit. Den kan uppnå en precision på 5–10 myr i Pb-rik monazit och 10–20 myr i Pb-fattig monazit.

Tolkning och tillämpning

Monazit geokronologi kan avslöja komplex geologisk historia som registrerats i monazitmineralkornen. Den karakteristiska sammansättningen och åldern för varje domän eller zon representerar en tidigare geologisk händelse med en viss ålder. Den viktigaste utmaningen i monazit geokronologi är att korrekt relatera texturer och kompositioner i varje domän till de associerade geologiska händelserna som bildade dem.

Till och med ett enda monazitkorn kan avslöja en komplex historia, där geologiska händelser kan vara relaterade till varandra eller samtidigt, vilket gör diskriminering svår. Avsnittet nedan syftar till att kortfattat förklara hur sammansättnings- och åldersdata tolkas för att koppla ihop olika typer av händelser.

Kristallisering av smälta

Ytterligare information: Kristallisering

Att förstå monazits magmatiska petrologi är viktigt för att kunna datera kristallisationsåldern för magmatiska bergarter . Monazit är vanligen närvarande som ett tillbehörsmineral i låg-CaO peraluminösa granitoider , från dioriter , glimmergraniter till pegmatiter . Orsaken till den låga CaO-halten är troligen att smältor med hög CaO-halt främjar bildningen av apatit och allanit men inte monazit. Det bildas vanligen från magmatism som involverar karbonatiska smältor men inte mafiska plutoner eller lavas . Dessa stenar är vanligtvis värd för ekonomiska REE- malmfyndigheter , vilket gör monazitgeokronologi viktig vid gruvutforskning.

Den enklaste monazitzoneringen som visar successiv kristallisation av smältor är koncentrisk zonering, där nya monazitskikt kristalliseras kant-för-kant runt den redan existerande kärnan. Fälgarna visar ofta kompositionsvariationer på grund av den föredragna inkorporeringen av vissa element i kristallgittret. Till exempel, med tanke på ett slutet system, införlivas Th företrädesvis i monazitmineralstrukturen, vilket lämnar en Th-utarmad smälta. Därför är äldre monazit nära kärnan i ett korn rik på Th medan yngre monazit innehåller mindre, vilket resulterar i en minskning av Th i ett koncentriskt zonindelningsmönster. Att undersöka sammansättningen och åldersvariationerna för dessa fälgar hjälper till att begränsa tidpunkten och hastigheten för kristallisationen samt smältans sammansättning, särskilt för bergarter där zirkon inte är närvarande.

Monazit – cheralite – huttonitsystem

Monazit geokronologi kan också avslöja magmatiska differentieringshändelser som magmablandning, där magmakammaren utvecklas till en annan sammansättning. Isomorf substitution är ett av exemplen. Det är en form av substitution där ett element ersätts av ett annat utan att ändra kristallstrukturen. När det gäller monazit ersätts de sällsynta jordartsmetallerna med Ca och Th.

$2REE^{3+}\leftrightarrow Ca^{2+}+Th^{4+}$

Olika nivåer av substitution bildar en rad kompositioner, med slutelementen monazit [2REE(PO ₄ )], brabantit [Ca,Th(PO ₄ ) ₂ ] och huttonit [2ThSiO ₄ ]. Graden av substitution beror vanligtvis på smältans sammansättning och den geologiska miljön.

Hydrotermisk förändring

Illustration som visar kluster bildade av flera kristaller. Redigerad efter Schandl (2004)

Hydrotermiska processer är vanligtvis kopplade med magmatiska processer. Monazit geokronologi hjälper till att studera utvecklingen från magmatiska processer till hydrotermiska processer, och avslöjar senare hydrotermiska förändringar, vilket är avgörande för studiet av malmbildning.

Även om det är svårt att skilja mellan magmatisk monazit och hydrotermisk monazit, kan analys av monazits struktur och mönster hjälpa till att skilja dem åt. Hydrotermiska monaziter tenderar att förekomma i kluster av flera kristaller, medan magmatiska monaziter tenderar att visas homogent fördelade i berget. Hydrotermiska monaziter innehåller också vanligtvis låg ThO2- _halt . Dessa särdrag kan lätt identifieras med textur- och kompositionsanalys i monazit geokronologi.

Metamorfism

Monazit geokronologi betraktas allmänt som ett kraftfullt verktyg för att avslöja metamorf historia. Metamorfism är de mineralogiska och texturella förändringarna i redan existerande bergarter som svar på en förändring i miljön till olika temperaturer och tryck. Det inträffar vid en temperatur över diagenes (~200 °C) och under smältpunkten (>800 °C). Mineralsammansättningen som bildas av metamorfos beror på sammansättningen av moderbergarten ( protolit ) och ännu viktigare, stabiliteten hos olika mineral vid varierande temperatur och tryck (PT). En uppsättning mineralsammansättningar som bildas under liknande temperatur och tryck kallas en metamorf facies . De flesta mineralförändringar under bergbegravning, landhöjning, hydrotermiska processer och deformation är förknippade med metamorfa reaktioner.

Monazit finns vanligen i många metamorfa bergarter, särskilt i de som bildas av peliter och sandstenar . Zoneringen i monazit återspeglar de successiva monazitbildande händelserna. De kan bildas från reaktioner längs en enda tryck-temperatur (PT) loop i ett fasdiagram , eller reaktioner utan att ändra PT. För en metamorf händelse bildas monazit av reaktionerna med mer än en PT-loop.

Målet med monazit geokronologi är att relatera dessa monazitbildande händelser/reaktioner med PT-förhållanden. Vi kan sedan sätta tidsbegränsningar på PT-slingorna och bilda en omfattande tryck-temperatur-tidsslinga som avslöjar stenarnas metamorfa historia.

Monazitinneslutningar i metamorfa porfyroblaster och matris

(1–3) Ett förenklat diagram som visar generationer av monazitinneslutningar i olika porfyroblaster och matriser.

PT-väg associerad med generering av monazitinneslutningsbärande porfyroblast och matris

Olika porfyroblaster som granat och kvarts bildas ofta under metamorfos i olika områden av PT. Monazitkorn finns ofta som inneslutning i porfyroblaster. Eftersom värdmineralet monazit är ganska termiskt resistent, är dessa inneslutningar skyddade från åldersåterställning, även vid långvarig exponering vid temperaturer högre än 800 °C, vilket gör det möjligt för oss att begränsa en övre gräns för porfyroblasternas ålder, och därmed tillhörande metamorfa händelser.

Till exempel genomgick en metamorf sten i Neil Bay-området i norra Saskatchewan höggradig ( hög P/T) metamorfos följt av uppgrävning (upplyftning). Porfyroblasten av granat bildades under höggradig metamorfism medan porfyroblasten av kordierit bildades under efterföljande uppgrävning. Båda porfyroblasterna innehåller monazitinneslutningar som daterades till 1910 Ma respektive 1840 Ma. Och matrismonazit är daterad 1800 Ma. Således tolkas det att höggradig metamorfism inträffade efter 1910 Ma och före 1840 Ma, medan uppgrävning inträffade efter 1840 Ma, och den slutliga glödgningen (kylning och förgrovning av mineraler) skedde vid 1800 Ma.

Inom samma miljö som ovan kan monazitinneslutningar i granat antingen vara yngre än, äldre än eller ha liknande åldrar med matrismonaziten. Båda kan till och med ha ett brett åldersintervall utan någon systematisk fördelning. Dessa scenarier tolkas för att representera olika metamorfa vägar och förhållanden, vilket ger varierande eller komplexa sekvenser av metamorfa reaktioner.

Elementär fraktionering mellan monazit och silikater

Elementär fraktionering avser skillnaden mellan mängden av ett grundämne som ingår i den fasta mineralfasen och mängden kvar i den flytande fasen. Mineraler uppvisar preferentiellt intag av vissa element under tillväxten. Till exempel, när monazit växer i storlek, införlivar den företrädesvis Th i sin kristallstruktur, vilket resulterar i mindre tillgänglig Th i vätskan för framtida monazittillväxt. Således tenderar yngre monazit att ha lägre Th-innehåll. Detta är en av de främsta anledningarna till sammansättningsvariationen av monazit.

När man betraktar hela systemet av metamorfa bergarter, finns det andra mineral som visar elementär fraktionering. Samspelet mellan fraktionering i monazit och dessa andra mineraler har stor inverkan på monazits sammansättning. Samspelet orsakas ofta av bildning och nedbrytning av mineralerna, vilket är ett resultat av olika stadier i PT-banorna. Datingfraktioneringsrelaterad zonering hjälper alltså till att sätta tidsbegränsningar på metamorfism.

PT-väg som motsvarar bildning av låg Y-kärna och hög Y-kant av monazit

Det mest studerade systemet är yttrium (Y)-fraktionering mellan fosfatmonaziten och silikaterna granat och xenotid. Alla tre mineralen fraktionerar företrädesvis Y, men de bildas och bryts ner i olika stadier av metamorfosm. Xenotime har den högsta fraktioneringsförmågan, sedan granat och sedan monazit. I ett förenklat fall av en medurs PT-bana som involverar granat och monazit, växer granat längs en progradbana där Y kontinuerligt inkorporeras, så Y-innehållet i monazit som bildas i detta skede (prograd) bör minska progressivt med högre grad. Men när temperaturen ökar till en viss punkt partiell smältning (anatetisk) av monazit runt dess kant, vilket släpper Y in i smältorna. När systemet senare svalnar och smältan kristalliserar kommer återväxt monazit att ha högre Y-innehåll. Partiell smältning sker vanligtvis under toppmetamorfism (den högsta temperaturen i en PT-bana), men ålder och kemisk information under detta skede registreras inte eftersom monaziten smälter. Åldrarna för den sista prograde tillväxtkanten (lägsta Y) och den första post-anatektiska tillväxtkanten (högsta Y) anger vanligtvis tiden för partiell smältning.

Ett annat scenario involverar bildning eller nedbrytning av granat, vilket påverkar innehållet Y och HREE ( tunga sällsynta jordartsmetaller ) i miljön, och därmed innehållet i växande monazit. I grund och botten har monaziter odlade före granatbildning ett högre Y- och HREE-innehåll än de som bildas under eller efter granatbildning. När granat börjar bryta ner i det senare skedet av metamorfosen kommer monazitkanter rika på Y och HREE att bildas.

Graden av fraktionering av Y mellan granat och monazit har också visat sig vara relaterad till temperaturen. Den används därför som en termometer, vilket ger temperaturbegränsningar på PT-banan.

Deformation

Timing av deformationshändelser är en av de viktiga komponenterna i en tektonisk studie. Storskaliga tvärgående förhållanden mellan bergarter, vallar och plutoner ger vissa men relativt breda tidsbegränsningar för deformation. Monazit kan inkorporeras i deformationstyger, reaktionstexturer och sprickor; Att studera mikrotyger och mikrotexturer av monazit erbjuder därför en enklare metod för att datera en deformationshändelse.

Deformationsmetamorfa reaktioner

Deformationshändelser kan utlösa metamorfa reaktioner som producerar monazit. Till exempel ersatte en metamorf reaktion i samband med rörelsen i Legs Lake-skjuvzonen delvis granat med kordierit. Denna reaktion genererade också ny monazit med högt innehåll av Y, och daterades runt 1850 Ma. Åldern tolkas som tidpunkten för klippning.

Monazitbildande reaktioner kan ske lite senare än skjuvning efter att stenarna har varit i återjämvikt som svar på en ny tryckmiljö. Det betyder att monazitåldern kanske inte motsvarar klippåldern, men den ger en mer exakt ålder än andra metoder.

Monazit deformationstyger

Monazitkorn är i linje med foliering S1. Ny monazitöverväxt växer längs S1-riktningen. Redigerad efter McCoy, 2005.

Monazit kan bildas i tyger orsakade av deformation. Monazit kan förekomma som långsträckta korn i linje med bladen. Det kan tolkas som att antingen bildades monaziten före klippningen och var inriktad under klippningen, eller bildades samtidigt med klippningen. Det ger således en övre gräns för klippåldern. Till exempel, om monaziten är daterad till 800 Ma, får klippningsåldern inte vara äldre än 800 Ma.

Det kan dock också tolkas som att monaziten växte längs bladen av andra mineral långt efter klippningen. Detta problem kan lösas genom att analysera sammansättningsdomänerna för monazit. Monazit längs befintliga bladverk skulle ha en tendens att växa i de två ändarna längs bladverket. Om vi ​​kan hitta monazitöverväxter med olika sammansättning och åldrande vid de två motsatta ändarna av kornet, är det troligt att datumet för monazitöverväxten är yngre än klippningen.

Monazitfraktur

Schematiskt diagram som visar monazitfraktur och påfyllning av monazit. Monazitkristallen med ljusare färg spricker genom skjuvning. Senare bildas ny monazit med ny sammansättning och mörkare färg längs frakturen. Modifierad från Shaw (2001).

Sprickor och förskjutningar i en enda monazitkristall har observerats som efterliknar bokhyllefel i en större sprickbildning. Det spruckna kornet är daterat till 1375 Ma, vilket indikerar att den storskaliga förskjutningen inträffade efter detta datum. Dessutom kan ny monazit senare växa fram och fylla upp det utrymme som skapas av frakturen, vilket helt omsluter tidsbegränsningen. Till exempel, om den nya monaziten är daterad till 1200 Ma, inträffade förskjutningen troligen mellan 1375–1200 Ma.

Sedimentära händelser

Detrital monazit

Ytterligare information: Detritus (geologi)

Detritala monazitkorn produceras genom vittring och erosion av redan existerande stenar och transporteras sedan in i sedimentära bassänger . Den detritala monaziten innehåller zoneringsmönster som bevarar källregionens geologiska historia. Att undersöka detrital monazit i bassängen hjälper inte bara till att rekonstruera den metamorfa, tektoniska och hydrotermiska historien för källregionen, utan också att hitta avsättningsåldern, strukturell utveckling och sedimentkällorna i bassängen. Till exempel kan domänen med yngsta ålder representera uppgrävning av källberg, vilket följs av omedelbar erosion och deponering.

Diagenetisk monazit

Ytterligare information: Diagenes

Diagenetisk monazit är den monazit som bildades under eller efter litifieringen av sedimentära bergarter. Monazit har observerats växa på andra mineraler eller i porutrymmen under diagenes av sediment. Att studera diagenetisk monazit ger en bra metod för att studera ålder, geokemisk och termisk utveckling av sedimentära bassänger, särskilt de i Prekambrium med få fossila ålderskontroller.

Industriell användning

U-Th-Pb-data och monazitålder kan användas som ett värdefullt verktyg för prospektering . Den visades för 3 orter i Pisecke Hory-regionen, Tjeckien .